智能结构与材料
可调数字超材料
超材料是一类具有自然材料所不具备特质的人工复合材料，可应用于高效雷达制备、隐身结构设计、无损检测、振动隔离和抗震保护等重要工程领域。传统超材料只在特定的频率范围内有效，极大地限制了其应用范围。为了突破传统超材料的局限，课题组设计了一种全新模块化的可调数字弹性超材料，可实现任意形状的波导对波的传播路径进行调节，具有传统的超材料无法实现的多自由度调节的能力,该研究的相关论文已发表于国际材料科学顶级期刊《Advanced Materials》(IF=21.950)。
Wang Z, Zhang Q, Zhang K.*, and Hu G, Tunable Digital Metamaterial for Broadband Vibration Isolation at Low Frequency. Advanced Materials, 2016, 28, 9857–9861, doi.org/ 10.1002/adma.201604009.
文章链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201604009/full
学院新闻链接 http://sae.bit.edu.cn/xyxw/88359.htm
液体可调超材料
当前，可调局域共振超材料都是基于刚度调制实现的;这种方法存在一个主要缺点，即材料等效密度在高频处是恒定不变的。为此，首次提出了一种全新的调节单胞内质量分布的方法，通过引入液体夹杂设计了工作频段可调的局域共振超材料。
Zhang Q, Zhang K, Hu G, Tunable fluid-solid metamaterials for manipulation of elastic wave propagation in broad frequency range. Applied Physics Letters112, 221906 (2018); doi.org/10.1063/1.5023307
声波超材料及波动控制
基于手性薄板弹性波超材料负折射
当弹性波超材料同时具有负等效质量和弹性模量时,该材料对弹性波将产生负折射现象。我们通过薄板材料内的胞元设计,利用胞元内质量旋转谐振产生负等效模量,质量平动谐振产生负等效质量,成功设计出了亚波长弹性波双负超材料,并通过实验验证了其负折射现象。图中给出了制备的薄板弹性波超材料样品,负折射测试实验结果和有限元预测的比较。
R Zhu, XN Liu, GK Hu, CT Sun, GL Huang, Negative refraction of elastic waves at deep-subwave length scale in a single-phase metamaterial, Nature Communication, 5, 5510, 2014.
薄板型声波超材料动态等效特性研究
薄板结构由于其轻质及承载功能在工程中有广泛的应用。通过在薄板上引入微结构谐振,可以有效的改善部分频段的隔声、隔振效果。基于理论模型,我们解析计算了带有周期谐振单元多层薄板结构的声波响应,并使用修正的传递矩阵方法计算了该结构的等效参数。针对单层薄板结构,得到了声波正入射时等效密度和等效模量的解析表达式。通过参数分析发现,对于不同振子间距的薄板超材料,所产生的负等效质量可以用Lorentz模型或Drude模型来描述。在负等效质量区域,等效参数不随结构层数的改变而发生变化。声波斜入射时,当声波波长远大于胞元周期常数时,等效参数不随入射角而改变,反之,等效参数会同时随声波频率和入射角而发生改变,使得等效密度具有空间频散效应。
P Li, SS Yao, XM Zhou, GL Huang and GK Hu, Effective medium theory of thin-plate acoustic metamaterials, J. Acoust. Soc. Am., 135, 1686, 2014
薄板声波超材料用于封闭空腔结构声辐射抑制的研究
自由空间中,声波超材料在负质量频段内能有效阻隔声波的传播。对于有封闭空腔的结构,超材料对声辐射是否存在抑制作用,缺乏相关探索。为此我们研究了由薄板超材料组成的圆形封闭空腔结构对内置声源的声辐射抑制效果。研究发现,声源位于中心时,单极、偶极和四级声源只能激发出对应的空腔共振模态,并在负质量频带可以造成较强的声辐射,当超材料的厚度增加时,声辐射抑制效果明显增强,并最终可以在整个负质量频段内实现有效的声衰减。当声源偏心放置时,无论何种极次的声源,均激发出相似频率的声辐射共振模态,从而在负质量频段内出现多个强辐射频率,与声源中心放置情况类似,通过增加超材料的厚度可以有效提高声辐射抑制效果。
SS Yao, P Li, XM Zhou and GK Hu, Sound reduction by metamaterial-based acoustic enclosure, AIP Advances, 4, 124306, 2014
一种亚波长薄膜结构与声波相互作用的解析模型
在张紧的薄膜上粘贴细小的金属片,实验测试结果表明该类结构具有良好的低频隔声和吸声功能。基于点匹配方法刻画金属片对薄膜变形的影响,我们建立了精确计算该类结构声波响应的理论模型,经验证与有限元结果完全一致,从而可以用于系统研究金属片的重量、形状、尺寸、数量和位置等参数对声波反射和吸收的影响规律。在该解析模型中,张紧薄膜由含预应力的薄膜方程刻画,相应结构主要用于低频隔声设计;对于吸声特性分析,我们采用薄板方程来刻画薄膜面内应变耗能产生的吸声机制。值得一提的是,通过解析模型可以给出薄膜结构的声吸收系数存在50%的理论极限,该极限与任何微结构参数和薄膜本身的损耗因子均无关,纠正了相关实验结果的部分不正确结论。
YY Chen, XM Zhou, GK Hu and GL Huang, Analytical coupled vibroacoustic modeling of membrane-type acoustic metamaterials: membrane model, J. Acoust. Soc. Am., 136, 969, 2014
YY Chen, GL Huang, XM Zhou, GK Hu and CT Sun, Analytical coupled vibroacoustic modeling of membrane-type acoustic metamaterials: plate model, J. Acoust. Soc. Am., 136, 2926, 2014
低频超薄吸声结构设计
利用声波在腔体结构中的传播距离满足1/4波长条件,可以实现声波的高效吸收,但对于低频声波需要很厚的材料才能实现吸收效果。为了减小吸声材料的厚度,我们将原本平直的声腔卷曲成螺旋型,利用3D打印技术进行了样品制备,通过数值仿真和实验测试发现,在满足1/4波长条件的频率附近可以实现高效的声波吸收,此时改进结构的厚度仅为波长的1/50。进一步设计了Helmholtz共振腔结构,实验和仿真结果表明此结构能够在更低的频率实现声波的有效吸收,此时结构厚度仅为波长的1/102。
XB Cai, QQ Guo, GK Hu and J Yang, Ultrathin low-frequency sound absorbing panels based on coplanar spiral tubes or coplanar Helmholtz resonators, Applied Physics Letters, 105, 121901, 2014.
手性点阵材料宽频振动抑制研究
手性点阵材料具有结构轻和高频禁带的特点,但对于低频振动缺难以抑制。通过将谐振单元引入手性点阵材料,对谐振单元的谐振频率进行调节可以实现对手性点阵结构的低频振动进行抑制。另外理论和实验分析表明,可以通过引入不同谐振频率的谐振单元,来扩宽对振动抑制的有效频带。
R.Zhu, XN Liu, GK Hu, CT Sun and GL Huang, A chiral elastic metamaterial beam for broadband vibration suppression, Journal of Sound and Vibration, 333:2759 , 2014.
各向异性手性点阵材料均质化
采用张量不可约正交分解方法,导出了二维微极弹性张量一般形式。此一般形式能描述手性特征以及各种对称性,如六角对称性、四边形对称性。根据导出的微极弹性张量形式,对刚性圆环梁连接成的手性点阵结构进行均质化,解析求得了几何参数相关的宏观等效弹性常数。研究了弹性常数随几何参数的变化,以及此各向异性结构传播特点。
Y Chen, XN Liu, GK Hu, QP Sun, QS Zheng, Micropolar continuum modelling of bi-dimensional tetrachiral lattices, Proceedings of the Royal Society A, 470(2165), 20130734, 2014.
提出弹性波复空间变换控制方法并设计可实现的弹性波吸波边界层
弹性波吸波边界无论在计算和实验上都有重要的意义,主要用于消除边界反射利用有限空间模拟无限空间问题,另外弹性波测量实验也需要消除来自边界波的反射。而目前弹性波吸波边界层都只是数学意义上的,主要用于数值计算。通过弹性波变换方法,将其扩展到复数空间,通过对材料常数虚部的控制可以实现对弹性波传播耗散的控制。进一步设计出可以实现的弹性波吸波边界层。
Z. Chang, DK Guo, XQ Feng and GK Hu, A facile method to realize perfectly matched layers for elastic waves, Wave Motion, 11,1170, 2014
基于共振隧穿效应声波超分辨成像的实验研究
设计了基于共振隧穿的多孔结构超分辨透镜。透镜由钻有周期圆柱孔的铝板构成,并且孔径沿孔轴线方向呈周期变化。考虑铝板与空气存在巨大的阻抗失配,透镜在平行于界面方向的质量可以认为是无穷大,沿孔轴线方向波的传播可以满足共振隧穿效应导致的完全传输条件。由于所设计超材料透镜的微结构为亚波长尺度,克服了目前超分辨透镜材料尺寸大等问题。利用声场测试系统,测试了在共振隧穿频率(声波波长约为38cm)处对放于透镜表面两个声源(相距11cm)成像的实验测试结果,从图中可以看出声源的间距虽处于亚波长量级,仍可以被清晰地分辨出来,证明所设计透镜具有突破衍射极限成像功能。
HJ Su, XM Zhou, XC Xu and GK Hu, Experimental study on acoustic subwavelength imaging of holey-structuredmetamaterials by resonant tunneling, J. Acoust. Soc. Am., 135, 1686, 2014.
大型结构振动抑制
基于绝对坐标的航天器热致振动研究
研究了航天器在太阳辐射热冲击载荷作用下的热致振动问题。针对大型环状天线结构和带有轴向吊杆的自旋稳定航天器结构进行了研究,将绝对节点坐标方法和自然坐标方法应用到耦合热-结构动力学分析中,并发现了在轨航天器在热载荷作用下可能出现的热颤振、热拍等现象。此外,为了能够描述梁结构在运动过程中的截面变形,基于绝对节点坐标方法,提出了考虑截面畸变效应的梁单元。
Z. X. Shen, P. Li, C. Liu, and G. K. Hu, A finite element beam model including cross-section distortion in the absolute nodal coordinate formulation, Nonlinear Dynamics,77, 1019-1033, 2014
基于波动控制的柔性绳索振动抑制研究
随着航天工程的迅速发展,许多大型柔性结构被引入空间结构中,例如空间站机械臂、太阳能帆板等。柔性系统具有尺寸大、质量轻、阻尼小的特点,因而在运动中产生的残余振动幅度大、持续时间长,不但极大地降低了柔性附件的工作效率,而且有可能导致结构的失效。
波动方法是一种有效地柔性结构运动控制方法。在之前均匀结构运动控制的基础上,以双摆、分布质量等复杂结构为研究对象,通过吸收反射回波的方法, 设计了非均匀结构的开环运动控制规律,并通过数值仿真和实验研究验证了控制规律的有效性。理论、仿真和实验的结果吻合的很好,实现了非均匀结构运动中振动的消除。结果表明,与无控制情况相比,残余振动幅值减少 10 倍以上,很好地抑制了系统的残余振动。
Xu X. W, Zuo S, Zhang K, Hu G, Wave-based transfer matrix method for dynamic response of large net structures. Journal of Sound and Vibration 433 (2018) 265-286;
Zhou J, Zhang K. and Hu G, Wave-Based Control of a Crane System With Complex Loads. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 139(8), p.081016.
微结构构型控制
薄膜褶皱控制
在均质薄膜中引入微结构可以改变薄膜的褶皱斑图。我们开展了对微结构薄膜褶皱机理及特征的研究。在两端夹支矩形薄膜中引入孔结构,通过改变孔位置、半径和排布,实验观察到了不同的褶皱斑图,并通过特征屈曲分析、后屈曲分析和应力分析对其中的力学机理进行了解释。给出了微结构薄膜的褶皱机理以及褶皱斑图与孔位置、半径和排布的关系,实现了利用孔结构对褶皱斑图进行调控,可以制备褶皱斑图或消除褶皱,具有很好的应用前景。
D Yan, K Zhang, F Peng, G Hu. Tailoring the wrinkle pattern of a microstructured membrane, Applied Physics Letters, 105, 071905, 2014.
基于3D打印的智能结构变形研究
研究发现,3D打印机制作的高聚物周期性管束结构在受热条件下出现明显的收缩以及斑图演化现象,这是因为打印过程中结构中产生的均匀内应变在结构再次受热时完全释放,实验测量表明,这个均匀的内应变随着打印速度的增加而增大。通过把3D打印材料与其它材料结合,比如直接把高聚物材料打印在纸上, 可以制备各种各样的复合材料智能结构,这类智能结构在受热冷却后可以自折叠形成三维轻质结构,与目前常规的自折叠结构制作方法相比,该方法操作简便, 对设备要求低。
Zhang Q, Yan D, Zhang K. and Hu G. , Pattern transformation of Heat-Shrinkable polymer by Three-Dimensional (3D) printing technique. Scientific Reports, 5, p. 8936.